(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の臓器や組織の位置およびその電気的特性に基づき、前記生体断面を多数のメッシュに分割し、各メッシュの電気的特性値を複数（ｎ）に変化させて演算可能な３次元以上の数学モデルを作成する数学モデル作成手段と、
前記数学モデル作成手段により作成される数学モデルの基となる、複数の生体断面から構成される断層モデルであって、性別と年齢と体型の少なくとも一つを含む生体特徴パラメータが異なる標準断層モデルが複数種類蓄積された断層モデルデータベースと、
断層モデルデータベースから所望の生体特徴パラメータに応じた断層モデルを選択して取り出し、断層モデルに変更を施し、前記数学モデル作成手段に供給して数学モデルを作成させる数学モデル変更手段と、
定電流を印加するための入力ペア電極と
電位差を検出するための出力ペア電極と
を含む生体の表面の所定の位置を囲繞するように貼着された複数の電極と、
前記入力ペア電極に定電流を印加する定電流印加手段と
を具備し、
前記数学モデル変更手段によって作成された新しい数学モデルを用いて算出された第一の電位差（Ｄｍｏｄｅｌ）と、実測により得られた前記出力ペア電極に発生する第二の電位差（Ｄｍｅａｎ）と、に基づき、各画素における最適な電気的特性値を推定し決定し、この各画素における最適な電気的特性値に基づき断層画像を表示することを特徴とする生体の電気的インピーダンス断層像測定装置。
【請求項２】
前記断層モデルの各断層においては、断層内に含まれる異なる複数の臓器及びまたは組織それぞれの領域が、優先順位を付された異なるレイヤーで管理され、各レイヤーを合成することで断層モデルの各断層が生成され、異なる臓器及びまたは組織の領域が重なり合う場合には、優先順位の高いレイヤーに属する臓器または組織が有効となるように、前記数学モデル変更手段により処理が行われる、
ことを特徴とする請求項１に記載の生体の電気的インピーダンス断層像測定装置。
【請求項３】
前記断層モデルは、生体の特徴的パラメータとして、身長、胸囲、胸郭の縦横比の少なくともいずれかを更に備え、前記数学モデル変更手段は、選択して取り出した断層モデルを、前記生体特徴パラメータに応じて変形させる、ことを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の生体の電気的インピーダンス断層像測定装置。
【請求項４】
前記数学モデル変更手段は、選択して取り出した断層モデルの任意の断層に対し、生体の外形、あるいは任意の臓器及びまたは組織の、位置及びまたは大きさ及びまたは形状、を調整する調整手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の生体の電気的インピーダンス断層像測定装置。
【請求項５】
前記調整手段は、断層モデルの任意の断層に対し施された変更に連動して、断層モデルの他の断層の生体の外形、あるいは臓器及びまたは組織の位置及びまたは大きさ及びまたは形状を変化させることを特徴とする請求項４に記載の生体の電気的インピーダンス断層像測定装置。
【請求項６】
前記数学モデル作成手段は、供された断層モデルを基に、臓器または組織それぞれの領域に対し、所定の分解能でメッシュを生成し、所望の電気的特性値を設定する、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の生体の電気的インピーダンス断層像測定装置。
【請求項７】
前記数学モデルに、実際の測定に使用する電極の、形状、サイズ、電気的特性値、を模擬する電極数学モデルを任意の位置に配置する、電極モデル生成配置手段を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の生体の電気的インピーダンス断層像測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、生体断面における組織に関する電気的特性値を非侵襲で測定し表示する、生体の電気的インピーダンス断層像測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＥＩＴ（Electrical Impedance Tomography)と称される電気インピーダンスＣＴが知られている。この装置は、生体表面に、例えば心電図用電極を水平かつ等間隔に８枚貼着し、微弱な定電流を加えることにより、体表面に生じる電位分布から生体内部の電気インピーダンスを求めて断層画像を得るものである。
【０００３】
このＥＩＴは、電極を貼るだけであるから非侵襲で拘束性が少なく、装置が小型であり、可搬性があり、測定に特別な技術を要することがなく、リアルタイムの画像を得ることができ、長時間の測定が可能である等の利点を有する。
【０００４】
近年においては、電気インピーダンスの絶対値を得るＥＩＴが開発されるに到っている。例えば、関心領域におけるインピーダンス分布を、数学モデルを用い、予測された境界電圧と実測された境界電圧の最小２乗誤差を生成して反復的な処理により収束させて電気インピーダンスの絶対値を得るものが知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、上記の従来例では、得られる電気インピーダンスの絶対値の精度は、使用する数学モデルの精度、すなわち、生体の外部形状、あるいは生体内部の臓器及びまたは組織の位置、大きさ、形状、の精度に左右される、という問題があった。
【０００６】
図２１は小児の胸部ＣＴ画像であり、図２２は大人の胸部ＣＴ画像であり、小児では肺野に占める心臓の割合が大人に比べ大きいなどの明確な差異がある。また、図２３に示す小児の胸部Ｘ線写真と図２４に示す大人の胸部Ｘ線写真との比較から、小児は胸郭及び肺の大きさが大人に比べ明らかに小さいことが分かる。更に、図２５は健常の小児の胸部ＣＴ画像であり、図２６は心肥大の小児の胸部ＣＴ画像であるが、これから、年齢が近い場合においても臓器の位置や大きさや形状等の個体差は決して小さくないといえる。
【０００７】
図２８は、図２１に示す胸部ＣＴ画像の小児被験者に対し、胸部ＣＴ画像合致する数学モデルを用いて胸部のＥＩＴを推定したＥＩＴ画像であり、これから、肺野領域および心臓領域がよく一致していることがわかる。これに対し、図２７は、図２２に示す大人の胸部ＣＴ画像から生成した大人の数学モデルを用いて、前記小児被験者の胸部ＥＩＴを推定したＥＩＴ画像であり、図２１のＣＴ画像と比較して、肺野領域および心臓領域が明らかに異なっていることが分かる。このように、ＥＩＴでは、計算に使用する数学モデルの大人と小児の差などの身体的差異が、推定精度に大きな影響を及ぼすため、特に局所的絶対値を算出するＥＩＴにおいては、被験者にそれぞれ合致した数学モデルを使用することが非常に重要である。
【０００８】
しかしながら、高精度の３次元以上の数学モデルを作成するには、例えば、数ｍｍ以下のスライスのＣＴ画像数百枚に対し、各断層像からそれぞれの臓器を抽出し、さらに上下の隣接する断層間において同一臓器の存在領域を考慮して３次元のメッシュを生成し、各メッシュに臓器毎に特有の代表的な電気的特性値を設定する必要がある。また、このとき、特定の臓器に割り当てられなかった領域にも、漏れなくメッシュを生成し、電気的特性値を設定しなければならない。しかしながら、現在の技術レベルにおいて、ＣＴ画像から全臓器を自動で抽出することは困難であるため、３次元以上の数学モデルの作成は人手に頼った、膨大な時間を要する作業とならざるを得ない。
【０００９】
このような問題に対処するために、架空の被験者の所定の身長、年齢、性別等のような、架空の被験者と関連付けられる特徴に基づくデータベースから、被験者の特徴に基づき近似頭部モデルを選択するＥＩＴも知られている（特許文献２、特に００２１欄）。このＥＩＴにおいては、選択された近似頭部モデルに基づきBarber-Brownの線形逆投影方法を用いて取得された電流流量マップを変更することができる。
【００１０】
この方法を用いれば、データベースに事前に準備された標準モデルが豊富であればあるほど、理論的にはより該被験者に近いモデルを選択することが可能となるが、例えば、胸部の数学モデルを例に取ると、心臓の位置や大きさ、形状には少なからず個人差があり、さらに心肥大のような疾患を有する場合等も考慮すると、必要なデータベースは膨大となり、現実的ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特表２００３−５３４８６７号公報
【特許文献２】特表２００６−５０２８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記のような生体の電気的インピーダンス断層像測定装置の現状に鑑みてなされたもので、その目的は、該患者の性別と年齢と体型等の生体特徴パラメータに合致した精緻な数学モデルを、臨床現場で実用可能な短時間で作成することを可能とし、実測値が求まると、これに対応する生体内部の電気的特性値の絶対値を一意に高精度で得ることができる、生体の電気的インピーダンス断層像測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置は、生体の臓器や組織の位置およびその電気的特性に基づき、前記生体断面を多数のメッシュに分割し、各メッシュの電気的特性値を複数（ｎ）に変化させて演算可能な３次元以上の数学モデルを作成する数学モデル作成手段と、前記数学モデル作成手段により作成される数学モデルの基となる、複数の生体断面から構成される断層モデルであって、性別と年齢と体型の少なくとも一つを含む生体特徴パラメータが異なる標準断層モデルが複数種類蓄積された断層モデルデータベースと、断層モデルデータベースから所望の生体特徴パラメータに応じた断層モデルを選択して取り出し、断層モデルに変更を施し、前記数学モデル作成手段に供給して数学モデルを作成させる数学モデル変更手段と、定電流を印加するための入力ペア電極と電位差を検出するための出力ペア電極とを含む生体の表面の所定の位置を囲繞するように貼着された複数の電極と、前記入力ペア電極に定電流を印加する定電流印加手段とを具備し、前記数学モデル変更手段によって作成された新しい数学モデルを用いて算出された第一の電位差（Ｄｍｏｄｅｌ）と、実測により得られた前記出力ペア電極に発生する第二の電位差（Ｄｍｅａｎ）と、に基づき、各画素における最適な電気的特性値を推定し決定し、この各画素における最適な電気的特性値に基づき断層画像を表示することを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置は、前記断層モデルの各断層においては、断層内に含まれる異なる複数の臓器及びまたは組織それぞれの領域が、優先順位を付された異なるレイヤーで管理され、各レイヤーを合成することで断層モデルの各断層が生成され、異なる臓器及びまたは組織の領域が重なり合う場合には、優先順位の高いレイヤーに属する臓器及びまたは組織が有効となるように、前記数学モデル変更手段により処理が行われる、ことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置では、前記断層モデルは、生体の特徴的パラメータとして、身長、胸囲、胸郭の縦横比の少なくともいずれかを更に備え、前記数学モデル変更手段は、選択して取り出した断層モデルを、前記生体特徴パラメータに応じて変形させる、ことを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置は、前記数学モデル変更手段は、選択して取り出した断層モデルの任意の断層に対し、生体の外形、あるいは任意の臓器及びまたは組織の、位置及びまたは大きさ及びまたは形状、を調整する調整手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置では、前記調整手段は、断層モデルの任意の断層に対し施された変更に連動して、断層モデルの他の断層の生体の外形、あるいは臓器及びまたは組織の位置及びまたは大きさ及びまたは形状を変化させることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置では、前記数学モデル作成手段は、供された断層モデルを基に、臓器または組織それぞれの領域に対し、所定の分解能でメッシュを生成し、所望の電気的特性値を設定する、ことを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置は、前記数学モデルに、実際の測定に使用する電極の、形状、サイズ、電気的特性値、を模擬する電極数学モデルを任意の位置に配置する、電極モデル生成配置手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置では、数学モデルの基となる、複数の生体断面から構成される断層モデルであって、性別と年齢と体型の少なくとも一つを含む生体特徴パラメータが異なる標準断層モデルが複数種類蓄積された断層モデルデータベースから、数学モデル変更手段により所望の生体特徴パラメータに応じた断層モデルを選択して取り出し、該被験者に合致するよう変更を施し、前記数学モデル作成手段に供給して新たな数学モデルを作成させるので、該被験者に合致した精緻な数学モデルを、臨床現場で実用可能な短時間で作成することができるとともに、より精度の良いＥＩＴ画像が得られる。
【００２１】
本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置の断層モデルの各断層は、断層内に含まれる異なる複数の臓器及びまたは組織それぞれの領域が、優先順位を付された異なるレイヤーで管理され、各レイヤーを合成して生成される各断層において、異なる臓器及びまたは組織の領域が重なり合う場合には、優先順位の高いレイヤーに属する臓器を有効とする。そのため、数学モデル変更手段による断層モデルの任意の断層に対する胸囲及びまたは胸郭の縦横比の変更や、調整手段による生体の外形、あるいは任意の臓器及びまたは組織の、位置及びまたは大きさ及びまたは形状、の調整、により、該断層における臓器及びまたは組織の領域分けが変化したとき、連動して、他の断層の生体の外形、あるいは臓器及びまたは組織の、位置及びまたは大きさ及びまたは形状も、容易に変化させることができ、該被験者に合致した精緻な数学モデルの基となる断層モデルに効率的かつ迅速に変更することが可能である。さらに、身長に応じて、断層モデルの各断層間隔を伸縮させることで、断層モデルの精度を向上させることができる。
【００２２】
本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置の前記断層モデルでは、該被験者に合致するように変更を施した後も、上下の隣接する断層間で同一臓器の存在領域が維持されているため、前記断層モデルが数学モデル作成手段に供され、３次元のメッシュが生成される際、各々の臓器及びまたは組織に対し生成するメッシュが、他の臓器及びまたは組織にオーバラップしたり、メッシュのない空白のエリアが存在したり、する状態が発生しない、言い換えれば、複数の電気的特性値が同時に存在したり、電気的特性値をもたない領域が存在したりして、Ｄｍｏｄｅｌ、ひいてはＥＩＴの計算が発散してしまう、等の問題が発生しない。
【００２３】
本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置では、オペレータが該被験者のＣＴ画像等の１枚の断層像を基に、臓器及びまたは組織の重なり合いなどを考慮することなく、断層モデルの任意の断層に対して所望の変更を行うと、連動して断層モデル全体に変更が反映されるため、該被験者に合致した精緻な数学モデルを熟練者でなくとも容易に短時間で作成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置におけるモデルデータベースの概念的構成を示す図。
【図３】本発明において、Ｘ線ＣＴ画像に基づき胸部数学モデルを作成する過程の組織分けした断面画像を示す図。
【図４】本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置による数学モデル取り出し及び調整を説明するためのフローチャート。
【図５】本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置が採用している断層モデルとレイヤーを示す模式図。
【図６】本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置が採用している断層モデルにおいて、臓器が移動された場合の、レイヤーと断層モデルにおける処理を示す模式図。
【図７】本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置が採用している断層モデルにおいて、臓器が移動された場合の、レイヤーと隣接する断層の断層モデルに対する反映処理を示す模式図。
【図８】本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置が採用している断層モデルにおいて、臓器の大きさが変更された場合の、レイヤーと断層モデルにおける処理を示す模式図。
【図９】本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置が採用している断層モデルにおいて、臓器の大きさが変更された場合の、レイヤーと隣接する断層の断層モデルに対する反映処理を示す模式図。
【図１０】本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置が採用している断層モデルにおいて、臓器の形状が変更された場合の、レイヤーと断層モデルにおける処理を示す模式図。
【図１１】本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置が採用している断層モデルにおいて、臓器の形状が変更された場合の、レイヤーと隣接する断層の断層モデルに対する反映処理を示す模式図。
【図１２】本発明において、Ｘ線ＣＴ画像に基づき胸部数学モデルを作成する過程の電極配置のための断面画像を示す図。
【図１３】本発明において、Ｘ線ＣＴ画像に基づき作成された胸部数学モデルを示す断面図。
【図１４】本発明において、健常者モデルのシミュレーションにより得られた電位差の結果を示す図。
【図１５】本発明において、健常者モデルのシミュレーションにより得られた電位差の結果を用いて作成した回帰曲線の一例を示す図。
【図１６】本発明において、健常者モデルのシミュレーションにより得られた別の電位差の結果を用いて作成した回帰曲線の一例を示す図。
【図１７】本発明において、健常者モデルのシミュレーションにより得られた電流密度分布の結果を示す図。
【図１８】本発明における電極配置とスライスの関係を示す斜視図。
【図１９】本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置の動作を示すフローチャート。
【図２０】本発明により肺野の１画素毎に最適な電気的特性値としての抵抗率を求める曲線を示す図。
【図２１】小児の胸部ＣＴ画像。
【図２２】大人の胸部ＣＴ画像。
【図２３】小児の胸部Ｘ線写真の図。
【図２４】大人の胸部Ｘ線写真の図。
【図２５】健常の小児の胸部ＣＴ画像。
【図２６】心肥大の小児の胸部ＣＴ画像。
【図２７】大人の数学モデルを用いて、小児の胸部ＥＩＴを推定したＥＩＴ画像の図。
【図２８】小児の数学モデルを用いて、小児の胸部ＥＩＴを推定したＥＩＴ画像の図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下添付図面を参照して、本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置の実施例を説明する。各図において、同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。図１には、本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置の実施形態を示す構成図が示されている。この装置は、電位差検出手段を構成する電極部１０と電極制御部２０を備え、電極制御部２０がコンピュータシステム３０に接続されている。
【００２６】
コンピュータシステム３０は、ＣＰＵや主記憶部及び外部記憶部などを含む本体部３１と、本体部３１に接続されたＬＥＤなどにより構成される表示部３２とキーボードやマウスなどにより構成される入力部３３とを備えている。本体部３１には、ＦＥＭ（有限要素法）などの３次元以上の数学モデルを作成する数学モデル作成手段３４としてのソフトウエアが備えられていると共に、断層モデルデータベース４１が備えられている。
【００２７】
断層モデルデータベース４１には、数学モデル作成手段３４により作成される数学モデルの基となる断層モデルであって、性別と年齢と体型の少なくとも一つが異なる複数の生体特徴パラメータにそれぞれ対応付けられた、複数の標準断層モデルが蓄積されている。例えば、断層モデルデータベース４１は、図２に示されるように、男女の性別（生体特徴パラメータ）により区分され、更に男女それぞれが年齢（生体特徴パラメータ）により区分された複数の断層モデルが記憶されている。なお、標準断層モデルに対応する数学モデルを事前に生成して蓄積しておくことで、高精度ＥＩＴを必要としない用途、あるいは該被験者に合致した精緻な数学モデルが生成されるまでの参照、として使用することも可能である。
【００２８】
上記において示した生体特徴パラメータは一例に過ぎず、例えば身長、胸囲、胸郭の縦横比、などを生体特徴パラメータとすることもできる。上記の図２の例において、断層モデルを取り出す場合には、入力部３３により性別、年齢、体型等からなる生体特徴パラメータを入力する。本体部３１は、この生体特徴パラメータが入力されると、断層モデルデータベース４１から当該生体特徴パラメータに対応する断層モデルを取り出し表示部３２へ表示する。
【００２９】
本実施形態では、本体部３１に、数学モデル変更手段４４、調整手段４５が備えられている。調整手段４５は、数学モデル変更手段４４に備えられる。数学モデル変更手段４４は、上記において取り出した一つの断層モデルの任意の断層を、入力部３３に入力された、胸囲、胸郭の縦横比に応じて変形させ、同一断層モデルの隣接する断層にも順次、この変形を反映させる。さらに、数学モデル変更手段４４は、入力部３３により入力された、身長に応じて、断層モデルの各断層間隔を伸縮させる。
【００３０】
本実施形態では、更に、調整手段４５により、選択して取り出した断層モデルの任意の断層について、生体の外形、臓器及びまたは組織の位置や大きさ、形状が変更されると、同一断層モデルの隣接する断層にも順次、この変更を反映させる。
【００３１】
生体の外形、臓器及びまたは組織の位置や大きさ、形状の変更は、それぞれ以下の手順で実施される。
【００３２】
生体の外形の変形は、次の手順となる。まず、断層モデルの任意の断層が均質と見なしたときの重心位置と変形後の形状の重心位置を合わせ、重心位置から１〜１０度程度の等角度で放射状に外形までの線分を引く。次に、各角度での重心位置から、生体の外形までの線分の比を算出し、その比に応じて、隣接する上下の断層を、順次伸縮させることにより、生体の外形を変更する。このとき、各断層に含有される臓器及びまたは組織も同様の方法で同時に伸縮させる。また、等角度間隔の間は直線補間、あるいはスプライン補間等を施す。
【００３３】
臓器及びまたは組織の位置の変更は、次の手順となる。まず、断層モデルの任意の断層において、対象となる臓器または組織を選択し、移動させ、対象臓器または組織の元の重心位置と移動後の重心位置から、移動ベクトルを求めておく。このとき、対象臓器または組織の移動はレイヤーレベルで行われるため、対象臓器または組織の移動とレイヤーの優先順位により、合成された断層モデルでは、臓器及びまたは組織の領域分けが変化する。次に隣接する上下の断層でも、順次対象臓器または組織を同じベクトルだけ移動させ、断層モデルを再構築する。
【００３４】
臓器及びまたは組織の大きさの変更は、次の手順となる。まず、断層モデルの任意の断層において、対象となる臓器または組織を選択し、その伸縮割合を指定する。対象臓器または組織の伸縮はレイヤーレベルで行われるため、対象臓器または組織の伸縮とレイヤーの優先順位により、合成された断層モデルでは、臓器及びまたは組織の領域分けが変化する。次に隣接する上下の断層でも、順次対象臓器または組織を同じ割合だけ伸縮させ、断層モデルを再構築する。
【００３５】
臓器及びまたは組織の形状の変更は、次の手順となる。まず、断層モデルの任意の断層において、対象となる臓器または組織を選択し、変更後の形状を指定する。次に対象臓器または組織の変更後の形状の重心位置を、変更前の重心位置と合わせ、重心位置から１〜１０度程度の等角度で放射状にそれぞれの外形までの線分を引き、各角度での線分の比を算出する。対象臓器または組織の形状の変更はレイヤーレベルで行われるため、対象臓器または組織の形状の変更とレイヤーの優先順位により、合成された断層モデルでは、臓器及びまたは組織の領域分けが変化する。隣接する上下の断層でも、順次対象臓器の重心位置から放射状の線分の比に応じて対象臓器または組織の外形を変形させ、断層モデルを再構築する。なお、等角度間隔の間は直線補間、あるいはスプライン補間等を施す。
【００３６】
このような断層モデルに対する変更処理は、図４に示されるフローチャートにより本体部３１によって行われる。前述の通り、生体特徴パラメータが入力されると、これを取り込み（Ｓ３１）、該当の断層モデルを断層モデルデータベース４１から取り出し、表示部３２へ表示する（Ｓ３２）。
【００３７】
表示部３２には図３のような断層モデルと該被験者のＣＴ画像の代表断面がオペレータの選択により、並列あるいは重畳して表示され、オペレータはマウスにより生体の外形、臓器及びまたは組織の位置に変更を加える操作を行う。例えば、胸郭の一部をクリックして所望位置までドラッグしリリースするなどの操作による生体の外形の変更や、選択した所望の臓器、の拡大縮小ボタンによる大きさ変更、さらにはドラッグアンドドロップによる位置の変更、といった変更操作を実施する。臓器以外の組織である血管の位置や太さ、あるいは脂肪量（脂肪の厚さ）についても必要に応じ、マウスの操作により変更する。
【００３８】
マウスによる操作を受けて調整手段４５は、図４のフローチャートにおいて調整入力の検出状態（Ｓ３３）から、当初の断層モデルを調整して変更調整された断層モデルの画像を表示部３２に表示する（Ｓ３４）。
【００３９】
本実施形態においては、入力部３３に備えられているマウスの操作による調整は、勿論、表示部３２の画面にタッチパネルを設けたり、ペン入力による手法による方法で実施することも可能である。
【００４０】
次に、数学モデル変更手段４４及び調整手段４５により、上記のように行われる処理の具体例を説明する。ここでは、説明を簡素化するために、断層モデルは、図５に示されるように、断層＃１、断層＃２、断層＃３という、三つの断層により構成され、一つの断層は、レイヤーＬ１、Ｌ２、Ｌ３の３枚のレイヤーから構成されているものとする。図５の例では、断層＃２について、レイヤーＬ１、Ｌ２、Ｌ３の３枚のレイヤーから構成されているものを示しているが、断層＃１、断層＃３についても同様に３枚のレイヤーから構成されている。
【００４１】
図５では、レイヤーＬ１には心臓Ａが設定され、レイヤーＬ２には右肺Ｂ、左肺Ｃが設定され、レイヤーＬ３には胸郭Ｄが設定される例を示している。レイヤーＬ１、Ｌ２、Ｌ３には、優先順位が設けられており、数学モデル変更手段４４は、異なる臓器及びまたは組織の領域が重なり合う場合に、優先順位の高いレイヤーの臓器及びまたは組織が有効となるように処理を行う。このようにして変更が施された断層モデルの有効な臓器、組織に対して、数学モデル生成手段は、メッシュを生成し、各メッシュに電気的特性値を設定する。
【００４２】
例えば、臓器Ａを移動する場合として、断層＃２においてオペレータの操作により心臓ＡがＰ１からＰ２に移動させられたとすると、数学モデル変更手段４４及び調整手段４５により、心臓ＡがＰ１からＰ２へ移動され、レイヤーＬ１、Ｌ２、Ｌ３の３枚のレイヤーが合成されて新たな断層＃２ａが作成される（図６）。心臓Ａについて移動ベクトルが求められ、残りの断層モデルである断層＃１、断層＃３について対応する心臓Ａが設定されているレイヤーへの反映処理（位置変更処理）が行われ、それぞれにおいて３枚のレイヤーが合成されて新たな断層＃１ａ、＃３ａが作成される（図７）。
【００４３】
また、例えば、臓器Ａの大きさを変更する場合として、断層＃２においてオペレータの操作により心臓Ａのサイズが中央の楕円形状ｂ１から外側の楕円形状ｂ２に変更されたとする。数学モデル変更手段４４及び調整手段４５により、心臓Ａが楕円形状ｂ１から楕円形状ｂ２へ変更され、レイヤーＬ１、Ｌ２、Ｌ３の３枚のレイヤーが合成されて新たな断層＃２ｂが作成される（図８）。心臓Ａについて楕円形状ｂ１から楕円形状ｂ２への変更に基づき伸縮割合が求められ、残りの断層モデルである断層＃１、断層＃３について対応する心臓Ａが設定されているレイヤーへの反映処理（伸縮割合に基づく伸縮処理）が行われ、それぞれにおいて３枚のレイヤーが合成されて新たな断層＃１ｂ、＃３ｂが作成される（図９）。
【００４４】
更に、例えば、臓器Ａの形状を変更する場合として、断層＃２においてオペレータの操作により心臓Ａの形状を中央の楕円形状ｃ１から外側の形状ｃ２に変更させられたとする。数学モデル変更手段４４及び調整手段４５により、心臓Ａが形状ｃ１から形状ｃ２へ変更され、レイヤーＬ１、Ｌ２、Ｌ３の３枚のレイヤーが合成されて新たな断層＃２ｃが作成される（図１０）。この場合には、心臓Ａの重心から等角度で１〜１０程度の線分を引き、形状ｃ１と形状ｃ２について、心臓の外郭までの線分長の伸縮比を算出する。残りの断層モデルである断層＃１、断層＃３について対応する心臓Ａが設定されているレイヤーへの反映処理（線分長の伸縮比に基づく伸縮処理）が行われ、それぞれにおいて３枚のレイヤーが合成されて新たな断層＃１ｂ、＃３ｂが作成される（図１１）。
【００４５】
以上述べたステップＳ３３とステップＳ３４の処理が繰り返され、入力部３３から断層モデルを決定する指示入力がある（Ｓ３５）と、調整された断層モデルが数学モデル作成手段３４へ送られる（Ｓ３６）。
【００４６】
数学モデル作成手段３４は、図３に示すように組織ごとに領域分けされ、領域に組織番号が付された断層モデルを受け取る。数学モデル作成手段３４は、各組織と番号及び抵抗率の対応関係を示す表１の内容を有するデータベースを備え、対応付けを行うことが可能である。
【００４７】
【表１】
0005469583.tif 000002
【００４８】
次に数学モデル作成手段３４は、上記断層モデルから３次元胸部数学モデルを作成し、図１の電極部１０における電極１１−１〜１１−８を含む各電極（例えば、縦６．５ｍｍ、横５ｍｍ）を設定する。具体的には、図１２に示すようにスライス画像に中心から等角度の８本線ｌを引き、生体表面に横５ｍｍの電極をプロットし、例えば1.3 ｍｍスライス幅のＣＴ画像を所定枚数重ねることにより電極の縦の寸法に対応させる。このように本実施形態は、上記数学モデルに、実際の測定に使用する電極の、形状、サイズ、電気的特性値、を模擬する電極数学モデルを任意の位置に配置する、電極モデル生成配置手段を備える。
【００４９】
一例として、要素数2,660,960、節点数527,571 を有する３次元胸部数学モデルの平面図を図１３に示す。図１３は、紙面に垂直な奥側が頭部であり、脊髄５１の位置から明らかな通り、図１３の上方が腹部側であり、下方が背中側である。主な臓器として、心臓５２、右肺５３、左肺５４が示されている。なお、図１３では、１スライス面に１６個の電極が設定されているが、これは、正中切開患者のように電極位置を変えてＥＩＴデータを得る必要がある場合に備えたものである。
【００５０】
次に、上記の構築された３次元胸部数学モデルについて第一の算出手段３５を用いて電極１１−１〜１１−８のいずれかの入力ペア電極（例えば、１１−１＆１１−２）に細胞壁を直進する高い周波数（例えば数ＭＨｚ以上）の定電流を印加したときの、入力ペア電極とは異なる組み合わせの出力ペア電極（電極１１−１〜１１−８の組み合わせ）から出力される電位差を、肺野の抵抗率を変えてシミュレーションする。
【００５１】
次に、入力ペア電極を別のペア（例えば、１１−２＆１１−３）に変えて同様に電位差をシミュレーションする。以下同様に、電極１１−１〜１１−８のいずれかのペア全てについて、順次に入力ペア電極として、同様に電位差をシミュレーションする。他のスライスに電極１１−１〜１１−８以外の電極が配置されている場合についても同様にして電位差のシミュレーションを行う。
【００５２】
肺野の抵抗率変化の一例として、肺抵抗率は個人差があるものの、通常、健常者の肺は５Ωｍ以上であり、肺炎の肺では３Ωｍ以下であることが多いことから、肺の抵抗率を５〜16.7Ωｍの間において８段階（5、5.55、6.25、7.14、8.33、10、12.5、16.7Ωｍ）に変化させ、電極Ｄ１〜Ｄ８の入力ペア電極に１ｍＡの定電流を印加したシミュレーションについて説明する。なお、実際のシミュレーションでは導電率を用いるため、上記抵抗率と導電率の換算表を表２に示す。
【００５３】
【表２】
0005469583.tif 000003
【００５４】
図１３の電極Ｄ１〜Ｄ８において、縦方向に入力ペア電極をとり、横方向に出力ペア電極をとり、肺の抵抗率を16.7Ωｍとして出力ペア電極から得られた電位差を表にして示すと図１４の通りになる。入力出力が同じペアによる検出は不正確となるので、０とする。また、出力ペア電極に入力ペア電極の一つを含む場合の電位差も不正確と思われる。
【００５５】
以上の不適切と思われる場合を除いた電位差データは４０通りとなるため、それぞれについて設定した８つの抵抗率（導電率）に対する８つの電位差から回帰曲線を算出し、実質、多段階に抵抗率を変化させた場合の電位差をシミュレートすることが可能である。
【００５６】
一例として、電極Ｄ１，Ｄ２を入力ペア電極とし、電極Ｄ３，Ｄ４の出力ペア電極から得られる電位差によって作成される回帰曲線を図１４に示す。また、電極Ｄ２，Ｄ３を入力ペア電極とし、電極Ｄ４，Ｄ５の出力ペア電極から得られる電位差によって作成される回帰曲線を図１６に示す。それぞれの図に寄与率Ｒ2を示してあるが、いずれも0.99以上となり、高い相関が得られた。
【００５７】
上述の回帰曲線を算出する代わりに抵抗率を細かく多段階に変化させて、図１４のようなマトリクスを抵抗率毎（上記の例では８段階）に算出し、第一の算出手段３５により対象組織に対して設定された抵抗率と出力ペア電極から検出される電位差との対応関係のデータベース３６（図１）として構成してもよい。
【００５８】
図１７に、上記のシミュレーションにおいて得られた電流分布の例を示す。輝度の高い部分が電流密度の高い部分であり、電流が多く流れていることを示す。この図１７において、左上部分において電流密度が高いのは電極Ｄ１，Ｄ２を入力ペア電極としているためである。また、肺は抵抗が高いために電流が多くは流れず、抵抗の低い心臓や肺の周囲に存在する血管や脂肪などに多くの電流が集中することが分かる。
【００５９】
次に、測定手段２２（図１）について説明する。電極部１０には、例えば８個の電極１１−１〜１１−８が備えられ、生体の表面を囲繞するように貼着される。ここに、生体の表面は、目的に応じて、頭部、胴体、四肢等の所要部における表面とすることができるが、ここでは胸部を対象とし、呼吸による肺の状態変化の測定を例示する。電極１１−１〜１１−８は、生体に等間隔に生体に貼着される。電極１１−１〜１１−８は、図１８に示されるように複数スライスに配置しても良い。
【００６０】
電極１１−１〜１１−８を含む各電極は、リード線を介して電極制御部２０に接続されている。電極制御部はリード線を介さず各電極上に直接配置してもよい。電極制御部２０は、定電流印加手段２１と測定手段２２とを含み、印加される定電流は細胞壁を直進する高い周波数（例えば数ＭＨｚ以上）が望ましいが、数１０ｋＨｚ〜２００、３００ｋＨｚ程度であってもよい。定電流印加手段２１と測定手段２２とは、同じクロックを与えられて同期して動作する。
【００６１】
定電流印加手段２１は、図１の例に示した電極１１−１〜１１−８を含むスライス面を例にすると、電極１１−１〜１１−８のいずれかの入力ペア電極（例えば、１１−１＆１１−２）に電流を印加する。
【００６２】
測定手段２２は、このとき各電極１１−１〜１１−８の隣り合ういずれかの出力ペア電極（電極１１−１〜１１−８の組み合わせ）から出力される電位差を順次取り込み、ディジタル化してコンピュータシステム３０へ送る。このとき出力ペア電極は８通りあるが、入力ペア電極の片方あるいは両方が含まれる出力ペア電極（１１−１＆１１−２、１１−１＆１１−８、１１−２＆１１−３）による検出は不正確となるので、採用しない。
【００６３】
次に、入力ペア電極を異なるペア（例えば、１１−２＆１１−３）に変えて同様に電位差を求める。以下同様に、電極１１−１〜１１−８の任意のうち、あらかじめ設定されたペアを入力ペア電極とし、前述の手順で出力ペア電極の電位差を測定する。このようにして得られた実測の電位差マトリックスをＤｍｅａｎとする。電極１１−１〜１１−８以外の電極により測定されるスライスについても同様に電位差測定を行う。
【００６４】
ここで、定電流印加手段２１に印加する定電流の周波数は、１ＭＨｚを超えるような高周波の定電流を直接印加する代りに、複数の低い周波数の定電流を印加し、補正手段４３により高周波の定電流を印加したときに観測される電位差に補正することも可能である。補正手段４３は、複数の低い周波数の定電流をスィープさせ、測定された電位差を平面上にプロットし、得られる曲線からＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅ方程式に基づき、高い周波数での周波数での電位差を推定する、ものである。
【００６５】
第二の算出手段３７は、測定した電位差からＤｍｅａｎと、データベース３６に記憶されているシミュレート結果である複数（ｎ）の抵抗率に対する電位差マトリックスＤｍｏｄｅｌ（ｎ）と、感度理論の基づく感度マトリックス（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ｍａｔｒｉｘ）あるいはヤコビアン（Ｊａｃｏｂｉａｎ  ｍａｔｒｉｘ）として知られる重み付けの補正係数を用い、各画素に対する抵抗率等の電気的特性値を複数（ｎ）算出する。ここで、感度マトリックス等の補正係数は公知の手法により算出し、データベース３６として記憶しておくことができる。また、ｎは、設定した肺抵抗率の数であり、本例では表３などに示すように８種としたが、０．２Ωｍ刻みで３００種、などを事前に計算しておき、データベース３６としてもよい。
【００６６】
近年ＥＩＴで広く採用されている感度マトリクスを用いた場合、Ｄｍｅａｎの各要素とＤｍｏｄｅｌの各要素で除算により比較し、さらに各要素の重み付けをするために感度マトリクスを乗算して補正した値ＥＩＴ（ｎ）を画素毎に算出することができる。
【００６７】
各画素について、ＤｍｅａｎとＤｍｏｄｅｌ（ｎ）に差がない状態のｎ、すなわち変化率がゼロとなるｎのときが最終的に求めたい抵抗率であるので、理想的には感度マトリクスを乗算して補正したＥＩＴ（ｎ）がゼロとなるｎのときが最終的に求めたい抵抗率である。決定手段３８は反復計算によりＥＩＴ（ｎ）がゼロに収束するときを最終的に求めたい抵抗率に決定することもできるし、ｎを離散的に設定し、ＥＩＴ（ｎ）の絶対値、あるいは図２０のように変化する[ＥＩＴ（ｎ）]2が最小となるｎのときを最終的に求めたい抵抗率（図２０では、最適値）に決定することもできる。他のスライスがある場合は他のスライスについても同様の処理を行う。ここまで説明した第二の算出手段３７と決定手段３８により、最適な電気的特性値としての抵抗率を求めるために実行された処理を最適電気的特性値の決定処理と呼ぶこととする。
【００６８】
断層画像表示制御手段３９は、このようにして推定された各画素の最適電気的特性値を、あらかじめ設定された電気的特性値に応じた色を用いて、リアルタイムで表示する。ここで、最適電気的特性値は絶対的な値であるため、例えば、肺野の各画素の最適電気的特性値は、対応する肺野の局所的なガス量に一対一で対応する。すなわち、断層画像表示制御手段によって表示される同一部位の断層画像は、肺野の局所的なガス量等の状態を、同じ基準で客観的に判断することが可能である。
【００６９】
領域選択手段４２は、断層画像表示制御手段３９によって生成された断層画像から、所定の領域を選択する領域選択手段を備える。すなわち、肺を対象組織とした場合、肺全体、右肺、左肺、右前、右後、左前、左後、画素単位等、適宜所望の領域を選択し、選択領域に対応する数学モデル作成手段３４のメッシュの電気的特性値をｎよりも多く変化させ、最終的に、複数（ｎ）以上の電気的特性値から各画素における最適な電気的特性値を推定し決定することにより、所定の領域における電気的特性値をより正確に推定することが可能となる。
【００７０】
以上の説明をまとめると、本実施形態に係る電気的インピーダンス断層像測定装置は、図１９のフローチャートに示すように動作する。即ち、図２〜図１１を用いて説明した如く、断層モデルを選択して調整を行い、生体の数学モデルを作成し（Ｓ１１）、その数学モデルに対し電極を設置し（Ｓ１２）、対象臓器内において領域の選択がされているかを検出し（Ｓ１９Ｂ）、当初は選択されないので、ＮＯへ分岐して、対象臓器の電気的特性値をｎ通りに設定する（Ｓ１３）。
【００７１】
次に、ｎ通りの電気的特性値に対し、入力ペア電極を決めて出力ペア電極から電位差を検出し、入力ペア電極を順次シフトして全ての隣り合う電極ペアを入力ペア電極としたシミュレーションを実行する（Ｓ１４）。シミュレーションの結果を用いて電極間電位差と電気的特性値変化の関係を示す図１４のような電位差マトリクスＤｍｏｄｅｌ（ｎ）を求める（Ｓ１５）。これは前述の通り、データベース３６に記憶されてもよい。
【００７２】
ステップＳ１５に続いて、電極部１０と電極制御部２０を用いて電位差を実測し、電位差マトリクスＤｍｅａｎを得る（Ｓ１６）。ここで、実測時に印加された定電流の周波数が低い場合、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅ方程式により、実際に用いた定電流よりも高い周波数で印加した場合に得られる電気的特性値に補正する（Ｓ１６Ａ）。このようにして得られたシミュレート結果の電位差マトリクスＤｍｏｄｅｌ（ｎ）と実測の電位差マトリクスＤｍｅａｎを比較し、感度マトリクスＳ（ｎ）などで知られる重み付け係数を乗算して補正することにより各画素のＥＩＴ（ｎ）を算出する（Ｓ１７）。
【００７３】
更に、各画素について、ＥＩＴ（ｎ）の絶対値、あるいは[ＥＩＴ（ｎ）]2（図２０）が最小となるｎのとき、すなわち、ＤｍｅａｎとＤｍｏｄｅｌ（ｎ）に差がない状態のｎでの電気的特性値を求め、絶対的な最適電気的特性値を決定し、あらかじめ設定された電気的特性値に応じた色を用いて、リアルタイムで断層像として表示する（Ｓ１９）。なお、生成された断層画像から、所定の領域を選択することにより、各画素における最適な電気的特性値をより正確に推定することが可能となる。
【００７４】
ステップＳ１９に続いて、オペレータが終了を選択したかを検出し（Ｓ１９Ａ）、ＮＯとなるとステップＳ１９Ｂへ戻る。ステップＳ１９Ｂにおいて、生成された断層画像の対象臓器内において領域を選択したことが検出されると、今度は、Ｓ１９ＢにおいてＹＥＳへ分岐することになり、選択領域を詳細に測定するため、対象臓器の電気的特性値を複数（ｎ）、選択領域の電気的特性値を複数（ｎ）以上、にそれぞれ設定し（Ｓ１３Ｂ）、ステップＳ１４へ進んでそれ以降の処理を行う。ステップＳ１９ＡにおいてＹＥＳへ分岐した場合には、終了となる。
【００７５】
本実施形態では、絶対的な最適電気的特性値を決定し、あらかじめ設定された電気的特性値に応じた色を用いて、リアルタイムで断層像を表示する。この前提として、数学モデル変更手段４４が、複数の生体特徴パラメータが異なる標準断層モデルが複数種類蓄積された断層モデルデータベース４１から所望の生体特徴パラメータに応じた標準断層モデルを選択して取り出し、標準断層モデルに変更を施し、前記数学モデル作成手段３４に供給して数学モデルを作成させている。例えば、数学モデル変更手段４４により処理された小児の数学モデルを用いて小児の胸部のＥＩＴを推定したＥＩＴ画像（図２８）では、胸部ＣＴ画像（図２１）と肺野領域および心臓領域がよく一致している。これに対し、大人の数学モデルを用いて、小児のＥＩＴを推定するという従来手法を用いると、得られるＥＩＴ画像は、図２７のようになり、図２１のＣＴ画像と比べて、肺野領域、心臓領域ともに明らかに異なっており、被験者に合致した数学モデルを使用する本実施形態が優れていることが分かる。
【符号の説明】
【００７６】
１０  電極部
１１−１〜１１−８  電極
２０  電極制御部
２１  定電流印加手段
２２  測定手段
３０  コンピュータシステム
３１  本体部
３２  表示部
３３  入力部
３４  数学モデル作成手段
３５  推定手段
３６  データベース
３７  算出手段
３８  決定手段
３９  断層画像表示制御手段
４１  断層モデルデータベース
４２  領域選択手段
４３  補正手段
４４  数学モデル変更手段
４５  調整手段
【図１】
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【図２】
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【図４】
0005469583.tif 000006
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
0005469583.tif 000010
【図１９】
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【図２０】
0005469583.tif 000012
【図３】
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【図５】
0005469583.tif 000014
【図６】
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【図７】
0005469583.tif 000016
【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005469583.tif 000019
【図１１】
0005469583.tif 000020
【図１２】
0005469583.tif 000021
【図１３】
0005469583.tif 000022
【図１７】
0005469583.tif 000023
【図２１】
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【図２２】
0005469583.tif 000025
【図２３】
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【図２４】
0005469583.tif 000027
【図２５】
0005469583.tif 000028
【図２６】
0005469583.tif 000029
【図２７】
0005469583.tif 000030
【図２８】
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